DE3907279A1 - Verfahren und einrichtung zum kalibrieren der von einem direkt abbildenden belichtungssystem erzeugten struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Systeme für die Kalibrierung op­ tisch hergestellter Strukturen zum Bestimmen der Maß­ genauigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung, die beim Kalibrieren von Leiter­ bahnstrukturen auf Leiterplatten, die mit Hilfe eines direkt abbildenden Belichtungssystems hergestellt wer­ den, eingesetzt werden können.

Hochgeschwindigkeitsscannersysteme, wie beispielsweise Präzisionsplotter oder Präzisionsgraphikschreiber, Druk­ ker und ähnliche Geräte, gehören bereits zum Stand der Technik. Diese Geräte werden häufig zur Herstellung von Leiterbahnstrukturen auf Leiterplatten durch gerastetes Schreiben mit einem Lichtstrahl auf ein Filmmaterial eingesetzt. Ein herkömmliches Belichtungssystem besteht aus einem Magnetbandgerät, einer Magnetplatte, einer Datenverarbeitungsanlage, einer Bildverarbeitungsan­ lage, einem interaktiven Graphikterminal, einem Bild­ verarbeitungsprozessor, einem Optiktisch mit einer be­ weglichen Schreibplatte zum Positionieren des Substrats und einem Präzisionslaserscanner. Das System umfaßt ferner weitere optische Bauelemente, Speichermedien sowie Elektronikbauteile, die für eine direkte Übertragung von rechnergestützten Konstruktionsdaten (CAD) auf Leiterbahnstrukturen notwendig sind.

Das direkt abbildende Belichtungssystem ist so aufge­ baut, daß beim Betrieb ein ebenes Substrat aus Film­ material oder Glas, das auf einer Seite eine optisch empfindliche Schicht hat, auf die Schreibplatte gelegt wird. Die Datenverarbeitungsanlage steuert die Intensität eines Lichtstrahls, der üblicherweise durch einen Laser erzeugt wird, um ausgewählte Abschnitte auf dem Substrat zu belichten. Normalerweise wird ein zwei­ ter Referenzstrahl annähernd längs des gleichen Wegs des Belichtungsstrahls geführt, um die Position des Belichtungs- oder Schreibstrahls auf dem Substrat genau zu steuern. Ferner wird ein spezielles Ablenksystem, ein sogenanntes Flat-Field-Scanning System, verwendet, das den Strahl auf einen kleinen Lichtfleck fokussiert und den Strahl gleichzeitig längs einer Referenzmaske und dem Substrat bewegt. Zur Führung der Schreibplatte beim Belichten kommen häufig Präzisionsluftlager zum Einsatz.

Die Genauigkeiten für diese Maschinen liegen typischer­ weise bei ± 0,001 Zoll (Anmerkung: in diesem Bereich der Technik werden auch im deutschen Sprachraum Zoll­ maße verwendet; auf eine Angabe in Metermaßen wird daher verzichtet) oder weniger für das Gesamtfeld und ± 0,0002 Zoll oder weniger für Teilabschnitte. Die Belichtungsspuren sind häufig bis zu 0,002 Zoll schmal. Bei solchen extremen Toleranzen besteht das Problem, die geforderte Maßgenauigkeit der Gesamteinrichtung einzuhalten. Eine Kalibrierung des Belichtungssystems selbst garantiert noch nicht, daß die beim Herstell­ prozeß von Leiterplatten verwendete Strukturierung die geforderte Maßgenauigkeit besitzt. Die belichtete Struktur auf dem Filmsubstrat muß weiterverarbeitet werden, um das Strukturbild in einem Fotoprozeß zu ent­ wickeln. Während dieser Verarbeitung, die auch das Ein­ tauchen in eine Vielzahl von Chemikalien umfaßt, dehnt sich das Filmsubstrat aus oder schrumpft. Bekannte Me­ thoden zum Festlegen der Maßgenauigkeit von Leiterbahn­ strukturen, die auf einem Substrat erzeugt werden, er­ fordern ein Abschätzen des Betrags der Schrumpfung oder Ausdehnung, der während der Verarbeitung entstanden ist. Die Genauigkeit der Strukturierung kann dann aus dieser Schätzung extra­ poliert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und eine Einrichtung zum Kalibrieren der von einem di­ rekt abbildenden Belichtungssystem erzeugten Struktur auf dem Substrat zu schaffen, welches die Maß­ genauigkeit getrennt nach mechanischen Ungenauigkeiten und solchen, die durch die Substratverarbeitung entste­ hen, angibt.

Diese Aufgabe wird durch den Patenanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird ein Kalibriersubstrat herge­ stellt, wobei transparente Maßstäbe, z.B. Glasmaßstäbe, auf senkrecht aneinandergrenzenden Kanten eines ebenen Substrats angeordnet werden. Die Maßstäbe gehen jeweils von einem Ursprung oder Nullpunkt aus. Das Kalibriersubstrat wird durch ablenkbares Laserlicht be­ lichtet, wobei die Glasmaßstäbe wie auch eine Vielzahl von Justiermarken abgebildet werden. Das Kalibriersubstrat wird dann weiterverarbeitet, um die auf dem Substrat abgebildeten Maßstäbe und Justier­ marken in einem Fotoprozeß zu entwickeln. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt auch Verfahrens­ schritte zum Erzeugen korrigierter Maßstabsmeßwerte von den Bildern der Glasmaßstäbe sowie korrigierter Schreibmeßwerte von den abgebildeten Justiermarken. Ein Wert der rechnerischen Systemgenauigkeit wird aus der Differenz zwischen dem jeweiligen korrigierten Maßstabsmeßwert und dem entsprechenden korrigierten Schreibmeßwert ermittelt.

Ein Auführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines direkt abbildenden Belichtungssystems (Laser Scanning System), und

Fig. 2 eine schematische Dartellung eines nach der Erfindung hergestellten Kalibriersubstrats.

In Fig. 1 ist in einer vereinfachten schematischen Dar­ stellung ein Teil eines Laserbelichtungssystems 10 dar­ gestellt, das eine ein Filmsubstrat 14 aufnehmende Schreibplatte 12 hat. Das Substrat 14 ist mit einer op­ tisch empfindlichen Emulsion versehen, auf die der Laserstrahl auftrifft. Das Substrat 14 wird auf der Schreibplatte 12 elektrostatisch, durch Vakuum oder mittels anderen bekannten Verfahren gehalten. Das Laserbelichtungssystem 10 hat einen Laser 16, der einen Strahl 18 erzeugt, der auf eine Optik 20 fällt, die den Strahl 18 kollimiert oder auf andere bekannte Weise so verändert, daß ein Belichtungs- oder Schreibstrahl 22 entsteht, der das Substrat 14 belichtet. Eine Ablenk­ einheit 24 lenkt den Strahl 22 in Form eines fokussierten Lichtflecks längs einer ersten Richtung 26 über die emulgierte Oberfläche des Substrats 14 ab. Mit Hilfe einer Blendeneinheit 28 wird das Substrat 14 an vorbestimmten Stellen wahlweise belichtet, wobei der Strahl 22 über das Substrat 14 rasterförmig abgelenkt wird und ein Wagen 30 die Schreibplatte 12 in eine zweite senkrecht zur ersten Richtung 26 stehenden Rich­ tung 32, abhängig von Signalen einer Steuerung 34, be­ wegt. Die Steuerung 34 gibt Signale an die Blenden einheit 28, die Ablenkeinrichtung 24 und an den Wagen 30 so ab, daß das Substrat 14 mit dem gewünschten Mu­ ster belichtet wird.

Bislang wurde die Genauigkeit von herkömmlichen Vektorschreibsystemen durch serienmäßige Direkt­ messungen der Wagenpositionen in X- und Y-Richtung mit einem Laserinterferometer bestimmt. Da bei Laser­ schreibsystemen physikalisch eine derartige Direkt­ messung nicht vorgesehen ist, werden andere Kalibrierverfahren zur Maßbestimmung der Strukturierung benötigt. Eine einfache Messung eines Schriebs auf einem Substrat ergibt nur eine singulare Genauigkeits­ kenngröße, in der die Ungenauigkeiten untrennbar zusam­ mengefaßt sind, die von der Belichtungsmaschine sowie von Fehlern herrühren, die durch Ausdehnung oder Schrumpfung des Substrats während der Verarbeitung und des folgenden Trocknungsprozesses entstehen. In die Un­ genauigkeit geht auch die Toleranz des Meßsystems selbst mit ein. Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung teilt die absoluten Schreibfehler in seine Teilkomponenten auf, wodurch es möglich wird, die Genauigkeit des Belichtungssystems isoliert zu betrach­ ten und genau festzustellen.

In Fig. 2 ist eine Kalibrierstruktur 36 eines Kalibriersubstrats dargestellt, die zum Kalibrieren des Systems nach Fig. 1 verwendet wird. Das Substrat be­ steht aus einem herkömmlichen Filmmaterial für Graphikdarstellungen, wie beispielsweise aus einem Kodak-Estar-Base-Film. Die Maßhaltigkeit des Substrats 14 ist abhängig vom Betrag der Maßänderung, die durch die Umgebungsfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur sowie durch die Substratbehandlung hervorgerufen wird. Diese Maßänderungen können entweder reversibel oder irreversibel sein. Wenn die den photographischen Film umgebende relative Luftfeuchtigkeit zunimmt, wird der Film größer; wenn die Feuchtigkeit sinkt, so schrumpft der Film. Die durch Änderung der relativen Luft­ feuchtigkeit hervorgerufenen Maßänderungen sind reversibel. Bei der Prüfung des Films muß dieser in einer Umgebung mit der gleichen relativen Feuchtigkeit wie bei der Belichtung sein. Ferner muß er zum Abklin­ gen von Ausgleichsvorgängen lange genug in dieser Umge­ bung verweilen.

Das Substrat 14 ändert seine Größe nicht nur mit der Feuchtigkeit, sondern auch mit der Temperatur: Eine hö­ here Filmtemperatur ergibt einen geringfügig größeren Film. Der Film muß deshalb sowohl während der Prüfung als auch während des Entwickelns auf der gleichen Tem­ peratur gehalten werden. Beispielsweise zeigt ein Kodak-Film mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,001% pro 1°F (Fahrenheit), entsprechend 5/9 K (Kelvin), eine Größen­ änderung von 0,0013 Zoll über eine Länge von 26 Zoll bei einer Änderung von 5°F, entsprechend 25/9 K.

Irreversible Maßänderungen können während der chemi­ schen Behandlung auftreten. Manche Filmsubstrate, wie z.B. Filme auf Basis von Zelluloseacetat, zeigen eine Schrumpfung, weil zurückgebliebene Lösungen während der Verarbeitung entfernt worden sind. Diese Filme, wie auch auf Kunstharzbasis arbeitende Filme, unterliegen irreversiblen Maßänderungen, die das Ergebnis einer me­ chanischen Beanspruchung bei der automatischen Film­ verarbeitung sowie das Zusammenwirken des Filmmaterials und der Emulsionsmittel bei derartigen Beanspruchungen sind. Bei üblicher Filmverarbeitung wird der Film in einer nassen Umgebung, d.h. 100% relative Luft­ feuchtigkeit, belichtet, was eine feuchtigkeitsbedingte Ausdehnung des Films zur Folge hat. Wenn der Film dann bei einer zu hohen Temperatur getrocknet wird, hat der Film nach der Bearbeitung manchmal Übergröße.

Bekanntlich benötigt ein Filmsubstrat eine bestimmte Zeit, um sich bei jedem neuen Einstellen eines Temperatur- und Feuchtigkeitszustandes zu stabilisie­ ren. Die für ein Filmsubstrat erforderliche Zeit für einen Feuchtigkeitsausgleich ist abhängig von der Film­ dicke. Ein 0,004 Zoll dicker Kodak LPF Film benötigt etwa vier Stunden, um einen Feuchtigkeitsausgleich von 95% herbeizuführen. Ein 0,007 Zoll dicker LPF Film be­ nötigt dagegen circa acht Stunden, um den gleichen Prozentanteil an Ausgleich zu erreichen. Nach der Bear­ beitung und vor der Prüfung des Films muß diesem Gele­ genheit gegeben werden, sich zu stabilisieren. Die zur Stabilisierung des Films erforderliche Zeit ist abhän­ gig vom Betrag an während der Filmverarbeitung absorbierter Feuchtigkeit, die in entsprechender Weise abhängig von der Filmbelichtungszeit und der Luft­ feuchtigkeit ist. Daraus folgt, daß Filme, die während des Verarbeitungsprozesses lange gewaschen oder gespült worden sind, eine entsprechend lange Zeit zum Stabili­ sieren auf Raumbedingungen benötigen, nachdem der Film getrocknet worden ist. Obwohl bislang nur die durch die Filmverarbeitung hervorgerufenen Maßänderungen der Filmsubstrate im einzelnen erläutert worden sind, kön­ nen bekanntlich ähnliche Maßänderungen entstehen, wenn andere Substrattypen verarbeitet werden, wie zum Bei­ spiel Filmemulsionen auf einem Glassubstrat.

Nachdem das Substrat 14 vorbereitet (konditioniert) worden ist, wird es mit der Emulsionsseite nach oben auf die Schreibplatte 12 gelegt. Zwei geeichte Glas­ maßstäbe 38 und 40 (siehe Fig. 2) werden mit der geätz­ ten Fläche nach unten, die die Maßteilung zeigt, längs zu den aneinandergrenzenden senkrechten Kanten des Substrats 14 angeordnet. Das System ist so program­ miert, daß das Substrat 14 mit einer Reihe von Justier­ marken belichtet wird, beispielsweise mit den Justier­ marken 42 und 44, die aus Kreuzen mit einem Mittenab­ stand von 0,5 Zoll bestehen. Die Justiermarken überdek­ ken die gesamte Substratoberfläche mit Ausnahme der Bereiche, die sich direkt unterhalb der Glasmaßstäbe 38, 40 befinden. Das System ist so aufgebaut, daß der Bereich um die Maßstäbe 38, 40 ausreichend mit Licht versorgt wird, so daß ein Kontaktbild eines jeden Maßstabs auf dem Film erzeugt wird. Nachdem der Film in der oben beschriebenen Weise weiter verarbeitet worden ist, wird die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur der Umgebung beim Kalibriervorgang so gewählt, daß sie die gleichen wie bei der Belichtung sind, um die Maßübereinstimmung während der Meßprozedur sicherzustellen.

Nach der Filmverarbeitung wird das belichtete Substrat auf eine herkömmliche Meßmaschine, wie beispielsweise den Validator der Firma Brown & Sharp Co., gelegt und die Länge des jeweiligen Glasmaßstabsbildes gemessen. Um die durch die Toleranzen der Meßmaschine und den Glasmaßstab hervorgerufenen Maximalfehler zu korrigie­ ren, wird vom Meßergebnis einer jeden Achse gemäß der Tabelle 1 ein Wert, der dem Maximalfehler (Kalibrierwert) der Meßmaschine sowie dem Glasmaßstab entspricht, subtrahiert.

Tabelle 1 (Maße in Zoll)

Der Unterschied zwischen dem korrigierten Maßstabsmeßwert pro Achse und den auf dem Substrat ab­ gebildeten Maßangaben der Maßstäbe rühren von den Umgebungs- und Verarbeitungsbedingungen her, da, wie bereits erwähnt, die Maßstäbe durch Kontaktabzug auf dem Film direkt abgebildet sind. Im oben angegebenen Beispiel der Tabelle 1 resultiert der Unterschied von 0,0002 Zoll zwischen der Länge des Maßstabs auf der X- Achse mit der angegebenen Länge 24,5000 Zoll und dem korrigierten Maßstabsmeßwert des Maßstabsbilds auf dem Film mit 24,5002 Zoll von einer Vergrößerung des Films durch die Filmverarbeitung.

Als nächstes wird der Abstand der an voneinander ent­ fernten Enden der Glasmaßstäbe angeordneten Justier­ marken 42 und 44 von einem Ursprung 46 aus gemessen. Die entsprechenden Meßwerte werden zur Bestimmung der Genauigkeit des Schreibvorgangs herangezogen. Die Werte werden um die entsprechenden Achsenkorrekturwerte (Kalibrierwerte) der Meßmaschine berichtigt (siehe Ta­ belle 2), wodurch ein korrigierter Schreibmeßwert ge­ wonnen wird.

Tabelle 2 (Maßangaben in Zoll)

Der korrigierte Schreibmeßwert ist nur für die Fehler korrigiert, die durch die Meßmaschine hervorgerufen werden und gibt den aktuellen Abstand zwischen zwei be­ stimmten Justiermarken auf dem Film für einen bestimm­ ten Zeitpunkt an. Dies deshalb, weil sich die Abmessun­ gen des Films und damit die Abmessungen der Bilder auf dem Film abhängig von der Zeit, der relativen Luft­ feuchtigkeit und der Temperatur ändern. Der pro Achse auftretende mechanische Schreibfehler ist dann der größte Unterschied zwischen den Werten der korrigierten Maßstabsmessung und der korrigierten Schreibmessung für alle Punkte längs jeder Achse. Dieser Sachverhalt ist in Tabelle 3 dargestellt. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß der mechanische Schreibfehler sowohl positives wie negatives Vorzeichen haben kann.

Tabelle 3 (Maße in Zoll)

Die in Tabelle 3 genannte rechnerische System­ genauigkeit oder der mechanische Schreibfehler ergibt sich aus Messungen am Film, deren Meßwerte so korri­ giert sind, daß die Einwirkung der Umgebungs- und der Verarbeitungsbedingungen das Ergebnis nicht beeinflus­ sen. Die Genauigkeit des Belichtungssystems 10 selbst kann somit unabhängig von der Genauigkeit der Meßmaschine sowie unabhängig von Umgebungs- und Verarbeitungsbedingungen bestimmt werden. Aus der rechnerischen Systemgenauigkeit kann auf die Maß­ genauigkeit der Bildstruktur von Leiterbahnen geschlos­ sen werden, die mit Hilfe des direkt abbildenden Belichtungssystems erzeugt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bestimmen der Maßgenauigkeit der auf einem lichtempfindlichen Substrat unter Verwendung eines direkt abbildenden Belichtungssystems erzeug­ ten Bildstruktur, wobei ein Kalibriersubstrat her­ gestellt wird, indem mindestens ein transparenter von einem Ursprung ausgehender Maßstab längs einer Achse eines ebenen Substrats angeordnet wird, das Kalibriersubstrat mit elektromagnetischer Strahlung so belichtet wird, daß auf ihm der Maßstab und min­ destens eine Justiermarke abgebildet werden, und das Kalibriersubstrat entwickelt wird, um das Maßstabsbild und die Justiermarke auf dem Kalibriersubstrat zu fixieren und daraus Genauigkeitskennwerte abzuleiten, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vom Maßstabsbild ein korrigierter Maßstabsmeßwert sowie von der Justiermarke (42, 44) ein korrigierter Schreibmeßwert ermittelt wird, und daß aus dem Unterschied zwischen dem korrigierten Maßstabsmeßwert und dem korrigierten Schreibmeßwert ein Kennwert gebildet wird, der die rechnerische Genauigkeit des Belichtungssystems angibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Ermitteln des korrigierten Maßstabsmeßwerts die Länge des Maßstabsbildes auf einer Meßmaschine bestimmt wird, die einen Kalibrierwert jeweils für eine Achse des Substrats (14) hat, und daß vom Längenmeßwert des Maßstabs­ bildes der Kalibrierwert subtrahiert wird, der für die betreffende Achse gilt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Ermitteln des kor­ rigierten Schreibmeßwerts ein Abstandsmeßwert aus dem Abstand zwischen dem Ursprung (46) und der dem Maßstabsbild zugeordneten Justiermarke (42, 44) er­ mittelt wird, und daß vom Abstandsmeßwert der Kalibrierwert der Meßmaschine subtrahiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß längs zweier senkrecht aufeinanderstehender Achsen des ebenen Substrats (14) jeweils ein transparenter Maßstab (38, 40) an­ geordnet ist, die beide einen gemeinsamen Ursprung (46) haben, und daß die rechnerische Genauigkeit des Belichtungssystems für jede Achse ermittelt wird.

5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit mindestens einem transparenten Maß­ stab, der längs einer Achse eines ebenen Kalibriersubstrats angeordnet ist und von einem Ur­ sprung ausgeht, mit einer Belichtungseinrichtung zum Belichten des Kalibriersubstrats mit elektromagnetischer Strahlung, so daß der Maßstab und mindestens eine Justiermarke auf dem Kali­ briersubstrat abbildbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Datenverarbeitungs­ einrichtung (34) vorgesehen ist, die vom Maßstabs­ bild einen korrigierten Maßstabsmeßwert sowie von der Justiermarke (42, 44) einen korrigierten Schreibmeßwert ermittelt, und daß aus dem Unter­ schied zwischen dem korrigierten Maßstabsmeßwert und dem korrigierten Schreibmeßwert ein Kennwert ermittelt wird, der die rechnerische Genauigkeit des Belichtungssystems angibt.